碳中和目標(biāo)下CCUS監(jiān)測評估技術(shù)研究進展

張龍，王永昌，陳博，滕悅

1.中國海洋石油集團有限公司節(jié)能減排監(jiān)測中心，天津，300457

2.天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司，天津，300450

3.海油總節(jié)能減排監(jiān)測中心有限公司，天津，300457

0 引言

碳中和也稱CO2凈零排放，通常是指針對國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動、個人等在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的CO2排放總量，應(yīng)用植樹造林、節(jié)能減排、CCUS等手段進行正負(fù)抵消并達到凈零排放。近年來，各實踐主體加快了全球碳中和進程。中國作為其中的一員，一方面明確提出了減碳時間表，另一方面在能源戰(zhàn)略中大幅度推進了CCUS項目建設(shè)。為保障此類項目高質(zhì)量建設(shè)與高水準(zhǔn)運營，在當(dāng)前階段亟需推進CUUS監(jiān)測評估技術(shù)的開發(fā)與推廣應(yīng)用，在這種背景下有必要加強對此類技術(shù)研究進展的探討。

1 CCUS的基本內(nèi)容及監(jiān)測評估的重要性

1.1 基本內(nèi)容

CCUS是英文Carbon Capture Utilization and Storage首字母的縮寫形式，譯為碳捕集、利用與封存，兼具了理論與技術(shù)雙重屬性。從理論方面看，以工業(yè)或其他排放源中分離出的CO2為對象，按照“碳捕集→碳運輸→碳利用→碳封存等”環(huán)節(jié)進行處置。從技術(shù)層面看，捕集環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，涉及IGCC-燃燒前捕捉、PCC-燃燒后捕捉、Oxy-combustion氧化燃燒等方式，運輸環(huán)節(jié)需要使用專業(yè)存儲罐與車輛，利用途徑包括礦物碳化、物理利用、化學(xué)利用及生物利用，封存環(huán)節(jié)則結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的成熟或已耗盡的油氣田、深層鹽堿含水層、廢棄含煤層進行埋藏。需要注意的是，CCUS項目中的監(jiān)測評估技術(shù)應(yīng)用中，十分強調(diào)諸環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性，因而，在同一項目實施期間，實踐主體會根據(jù)“大平臺+小系統(tǒng)”的基本框架，一方面搭建適配性較高的監(jiān)測評估技術(shù)平臺，另一方面會按照模塊化設(shè)計思想設(shè)置諸環(huán)節(jié)的監(jiān)測系統(tǒng)等。

1.2 監(jiān)測評估的重要性

CO2是一種無色無味的碳氧化合物，作為空氣中的重要組分，能夠通過揮發(fā)方式排放到大氣中形成溫室氣體，加重全球氣候變暖并引發(fā)一系列自然災(zāi)害。根據(jù)《碳監(jiān)測評估試點工作方案》（環(huán)辦監(jiān)測函[2021]435號）、《2030年前碳達峰行動方案》（國發(fā)[2021]23號）等政策文件內(nèi)容看，碳中和目標(biāo)下國內(nèi)各大能源及發(fā)電企業(yè)已實施的CCUS項目數(shù)量多達55個，配套開展CUUS監(jiān)測評估，既是此類項目的必然要求，也有利于促進碳中和目標(biāo)的有效落實。具體而言，CCUS項目是碳工業(yè)發(fā)展的重要組成部分，宏觀決策中離不開CCUS監(jiān)測評估結(jié)果的支持，中觀產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，需要借助其監(jiān)測評估技術(shù)建立適配性較高的技術(shù)體系，微觀實踐中則需要通過作為手段的CCUS監(jiān)測評估技術(shù)為其實踐賦能，達到CO2凈零排放，并在人類活動產(chǎn)生CO2吸收量與排放量均衡的前提下，使其產(chǎn)出綜合效益。

2 碳中和目標(biāo)下CCUS監(jiān)測評估技術(shù)分析

CO2環(huán)境影響監(jiān)測技術(shù)是碳中和目標(biāo)下CCUS監(jiān)測評估技術(shù)的重要組成部分，直接決定著CCUS項目是否能順利建設(shè)與安全運營，以及碳減排的效果評估。具體而言，受CO2的性質(zhì)影響，在其產(chǎn)生后會發(fā)生滲漏、逃逸風(fēng)險并引發(fā)環(huán)境問題，此時便需要利用該技術(shù)監(jiān)測、采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析其對環(huán)境的影響程度、評估溫室氣體減排效果等。以國外為例，澳大利亞Otway示范項目、阿爾及利亞In Salah項目、挪威北海項目等，已構(gòu)建了以該技術(shù)為主的CCUS監(jiān)測評估技術(shù)體系。以國內(nèi)為例，中國石油吉林油田CO2-EOR試點項目、中國石油新疆彩南油田CO2驅(qū)水與地質(zhì)封存先導(dǎo)性試驗工程、中國神華集團鄂爾多斯碳捕集與封存示范工程等，也圍繞該技術(shù)建立了適配的CCUS監(jiān)測評估技術(shù)體系[1-3]。

該技術(shù)應(yīng)用時涉及若干具體技術(shù)的獨立應(yīng)用與聯(lián)合應(yīng)用，主要如下。（1）CO2泄漏監(jiān)測，如針對廢棄井、斷層、漏油氣井的大面積CO2泄漏監(jiān)測，分為瞬時性泄漏監(jiān)測、連續(xù)性泄漏監(jiān)測等。（2）環(huán)境監(jiān)測，如土壤氣監(jiān)測、井網(wǎng)監(jiān)測、大氣監(jiān)測等。（3）地震監(jiān)測，如3D時移地震監(jiān)測、微震監(jiān)測、井間地震監(jiān)測、地面變形監(jiān)測等。除此之外，各類CCUS項目中對該技術(shù)的應(yīng)用，通常會針對CO2地質(zhì)儲存工程劃分若干監(jiān)測階段與指標(biāo)，一般涉及CO2地下運移、地層響應(yīng)、環(huán)境影響等。從國內(nèi)CCUS項目中的CO2地質(zhì)儲存工程中對地質(zhì)封存環(huán)境的監(jiān)測情況看，監(jiān)測對象主要集中在大氣、地表、含水層、注入CO2儲層，內(nèi)容涉及地表水、地下水、土壤氣體、植被、空氣等。通常情況下，在全過程監(jiān)測中，將監(jiān)測期劃分為四個階段。（1）在第一階段，風(fēng)險處于中等水平，主要進行本底監(jiān)測。（2）在第二階段，風(fēng)險包括低等水平、中等水平、高等水平，由高等風(fēng)險到低等風(fēng)險強調(diào)連續(xù)監(jiān)測、高頻率樣方和遙感監(jiān)測、高頻率采樣和分析監(jiān)測的配套應(yīng)用。（3）在第三階段，由于已閉場，把監(jiān)測重點轉(zhuǎn)移到了灌注井、監(jiān)測井方面，實際監(jiān)測需要按照常態(tài)化監(jiān)測要求實施。（4）在第四階段，隨著閉場時間的延長，實踐主體需要把風(fēng)險水平與閉場后的時間范圍相結(jié)合，參考運營期的監(jiān)測經(jīng)驗，實施低頻率采樣和分析監(jiān)測、高頻率樣方和遙感監(jiān)測、階段性監(jiān)測等。

2.1 以環(huán)境監(jiān)測為例

CO2的捕集、運輸、利用、封存離不開客觀環(huán)境，其中關(guān)系比較密切的是大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、水環(huán)境三大部分，對應(yīng)上述部分，通常會應(yīng)用匹配的監(jiān)測評估技術(shù)，進而滿足CCUS項目諸環(huán)節(jié)的CO2監(jiān)測。以地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)為例，在海上CCUS項目中，CO2含量過高會腐蝕水泥環(huán)境、井筒、管柱、井口等，同時涉及項目工程地質(zhì)一體化圈密封性和CO2水巖反應(yīng)引起的井筒堵塞問題等。在此前提下，需要應(yīng)用地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，對項目建設(shè)場址實施相應(yīng)的監(jiān)測。目前，該技術(shù)相對成熟，操作中可以選擇地球化學(xué)效應(yīng)監(jiān)測設(shè)備、壓力型監(jiān)測儀、熱導(dǎo)型監(jiān)測裝置、pH測量傳感器等，更為快速地進行監(jiān)測。例如，在油氣田井下的PDG系統(tǒng)連續(xù)性監(jiān)測過程中，井底的溫度與壓力屬于關(guān)鍵性指標(biāo)，此時，便可以利用基于壓力變化的監(jiān)測方法選取壓力型監(jiān)測儀開展監(jiān)測。再如，我國鄂爾多斯神華CCUS示范工程中應(yīng)用的pH值深層原位自動監(jiān)測系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了1500m深度的pH值變化情況實時監(jiān)測目標(biāo)，還能配套地球化學(xué)效應(yīng)監(jiān)測方法下的離子選擇性電極法、氧化-還原電位計等，對CO2引發(fā)的物質(zhì)化學(xué)變化情況做出精準(zhǔn)監(jiān)測[4-5]。

2.2 以地層響應(yīng)監(jiān)測為例

地層響應(yīng)監(jiān)測也稱地質(zhì)環(huán)境擾動監(jiān)測，在CCUS項目中將監(jiān)測重點放在地震相關(guān)領(lǐng)域，常用的監(jiān)測技術(shù)如下：（1）地面變形監(jiān)測技術(shù)；（2）誘發(fā)地震監(jiān)測技術(shù)；（3）斷層活化監(jiān)測技術(shù)等。以斷層活化或蠕變監(jiān)測技術(shù)為例，主要是在外界震動引起的光纖傳感參數(shù)變化與相位解調(diào)技術(shù)支持下，通過檢測光纖的相位變化實現(xiàn)對其周圍環(huán)境震動信息的有效監(jiān)測，其中應(yīng)用較多的是抗電磁干擾技術(shù)、分布式光纖傳感技術(shù)等。以InSAR地面變形監(jiān)測為例，在重復(fù)雷達圖像相位數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用提取技術(shù)從中提取相關(guān)地面目標(biāo)信息后，可以借助數(shù)據(jù)源分析、遙感監(jiān)測等，實現(xiàn)對CO2注入地表形變幅度的實時監(jiān)測、分析、評估，尤其在地下運移監(jiān)測方面，可以配套應(yīng)用四維地震監(jiān)測技術(shù)、時移VSP監(jiān)測技術(shù)等。

3 碳中和目標(biāo)下CCUS監(jiān)測評估技術(shù)研究進展

根據(jù)現(xiàn)階段對各類技術(shù)的匯總分析成果看，在CCUS監(jiān)測評估技術(shù)體系下常用的代表技術(shù)雖然有所增多，但是占據(jù)主導(dǎo)地位的仍是CO2環(huán)境影響監(jiān)測技術(shù)，并且落實在環(huán)境影響監(jiān)測、地層響應(yīng)監(jiān)測（包括運移監(jiān)測）兩大方向，而且其優(yōu)劣、應(yīng)用場景、使用風(fēng)險、實用案例等比較清晰。例如，CO2地下運移監(jiān)測是運行CCUS項目時的重要內(nèi)容，其中應(yīng)用的四維地震監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢是覆蓋面廣、檢測通量大，缺點表現(xiàn)在價格高與監(jiān)測深度及儲層要求高等方面，僅適用于羽遷移與地下特征相關(guān)的監(jiān)測，風(fēng)險相對較小，在Weyburn項目中的應(yīng)用產(chǎn)生了較好的效果。再如，我國神華CCUS示范工程中對時移VSP監(jiān)測技術(shù)進行了應(yīng)用，該技術(shù)優(yōu)勢是成熟、應(yīng)用廣，不足之處是價格高，對CO2注入規(guī)模和地層有嚴(yán)格要求，與四維地震技術(shù)的應(yīng)用場景風(fēng)險一致等[6]。從此類項目中的CCUS監(jiān)測評估技術(shù)方案或技術(shù)體系看，當(dāng)前的研究已呈現(xiàn)出系統(tǒng)性、平臺化、數(shù)字化特征。

3.1 系統(tǒng)性研究占據(jù)主流

目前，各實踐主體為了在全球碳中和實踐期間產(chǎn)生的新賽道中獲得定價權(quán)，在CCUS監(jiān)測評估技術(shù)方面，開展了系統(tǒng)性的研究。從原因看，各實踐主體簽訂《巴黎協(xié)定》后，全球進入了碳中和時代，均圍繞CCUS項目進行實踐。其中，同行業(yè)、同類項目中的質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)，直接決定了同行業(yè)的材料、設(shè)備、知識產(chǎn)權(quán)等定價權(quán)，以及利潤分成。由于CCUS監(jiān)測評估技術(shù)體系的建設(shè)直接關(guān)系到定價權(quán)，因而，在當(dāng)前階段各實踐主體普遍推進了對各類CCUS監(jiān)測評估技術(shù)體系的系統(tǒng)性研究。

以海上CO2地質(zhì)封存監(jiān)測為例，這是CCUS項目中的主要監(jiān)測對象，在其監(jiān)測技術(shù)體系設(shè)計時，各國主要針對泄漏場景、生命周期等不同階段選擇適配的監(jiān)測技術(shù)，并確定其監(jiān)測頻率。然后，在更新路徑下：（1）結(jié)合特定場地進行風(fēng)險評估、識別潛在泄漏場景實施風(fēng)險評估；（2）根據(jù)項目監(jiān)測任務(wù)、監(jiān)測目標(biāo)及確定的監(jiān)測技術(shù)，制作監(jiān)測技術(shù)列表并明確各項技術(shù)指標(biāo)；（3）實施監(jiān)測技術(shù)篩選與監(jiān)測方案制定，并將重點放在方法優(yōu)化層面，配套有相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新研發(fā)與監(jiān)測技術(shù)的可持續(xù)更新等。

3.2 平臺化研究已成剛需

從當(dāng)前研究進展情況看，普遍是在“大平臺+小系統(tǒng)”框架下構(gòu)建CCUS監(jiān)測評估技術(shù)架構(gòu)。（1）針對監(jiān)測對象，選擇適配性較高的物聯(lián)設(shè)備，包括監(jiān)控裝置、傳感器、執(zhí)行器、捕集器等，在其基礎(chǔ)上可以構(gòu)成數(shù)據(jù)采集層。（2）目前主要是利用5G技術(shù)搭建有線通信網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)，并通過設(shè)置多元化的接口滿足數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)管理層之間的雙向通信。（3）數(shù)據(jù)管理層的重點放在數(shù)據(jù)歸集、數(shù)據(jù)分類存儲、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)挖掘等方面，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理生成報表后，可以直接發(fā)送到應(yīng)用層的各個模塊之中。（4）應(yīng)用層主要由若干主體組成，包括行政單位、項目實施者以及與終端相關(guān)的各類APP用戶等。平臺化的優(yōu)勢是：將各類監(jiān)測劃分為若干小系統(tǒng)，然后通過匯總方式將其全部接入大平臺，進而利用大數(shù)據(jù)中心完成對各個部分的同步、實時、關(guān)聯(lián)管理等，既符合系統(tǒng)性監(jiān)測評估設(shè)計要求，也滿足了平臺化監(jiān)測評估的需要，能夠起到提質(zhì)增效的作用[7]。

3.3 數(shù)字化研究作為關(guān)鍵

碳中和目標(biāo)下對CCUS監(jiān)測評估技術(shù)的研究，始終把數(shù)字化作為關(guān)鍵。例如，CCUS項目的構(gòu)成環(huán)節(jié)較多，任何一個環(huán)節(jié)都受到時間與空間方面的條件限定，為保障其監(jiān)測評估技術(shù)體系的系統(tǒng)性運行、平臺化操作，需要借助先進的數(shù)字化技術(shù)為其賦能。以CO2捕集環(huán)節(jié)為例，捕集范圍廣、捕集對象眾多、捕集方式多樣，同一個項目中，為了將不同地點的捕集工作落實到位并進行統(tǒng)籌管理，需要實施多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的同步采集，此時，通常需要應(yīng)用具備初級數(shù)據(jù)采集與清洗處理的傳感器技術(shù)與大數(shù)據(jù)清洗技術(shù)。以CO2運輸環(huán)節(jié)為例，包括車輛儲罐運輸、管道運輸兩種方式，在前一種方式下需要進行GPS定位、FRID跟蹤、泄漏和安全監(jiān)測，在后一種方式下通常涉及流量、泄漏、安全監(jiān)測等，需要使用相應(yīng)的流量監(jiān)測裝置、泄漏監(jiān)測儀器、安全監(jiān)測設(shè)備等。為保障其數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，需要配置物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲引擎技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等[8-9]。

4 結(jié)語

綜上所述，CCUS內(nèi)容十分豐富，在CCUS項目中實施配套的監(jiān)測評估具有十分重要的現(xiàn)實意義。由于碳中和背景下的CCUS監(jiān)測評估技術(shù)體系比較復(fù)雜，涉及技術(shù)類型較多，在實際研究中，根據(jù)實際需求一般把重點放在系統(tǒng)性、平臺化、數(shù)字化層面，并選擇適配環(huán)境影響監(jiān)測、地震監(jiān)測技術(shù)。因而，各實踐主體在碳中和目標(biāo)下，一方面應(yīng)遵循思路決定出路的基本原則，在技術(shù)賦能路徑下，按照技術(shù)要素主導(dǎo)的資源配置方案優(yōu)化各項資源配置，另一方面，需要緊扣實際的CCUS項目監(jiān)測評估需求，構(gòu)建適配性較高的技術(shù)體系，進而在提高此類項目全要素生產(chǎn)率的前提下輔助其向著高質(zhì)量的方向發(fā)展。